«Капсула-оригами» может находиться в желудке до трех недель и постепенно высвобождать лекарство

Исследователи создали складывающуюся конструкцию, которая после проглатывания разворачивается в желудке, удерживается там неделями и способна заменить несколько последовательных приемов препарата одной капсулой.

Современная медицина сталкивается с парадоксом. Для многих заболеваний существуют эффективные препараты, однако они работают только при условии регулярного приема. Стоит пропустить несколько доз антибиотика, противопаразитарного средства или лекарства от хронического заболевания — и эффективность лечения может заметно снизиться.

Именно поэтому инженеры и врачи уже много лет пытаются решить задачу не создания новых лекарств, а создания новых способов их доставки.

Главная проблема лечения часто связана не с лекарством

Исследователи напоминают, что плохое соблюдение схемы лечения ежегодно приводит к огромным медицинским и экономическим потерям. Если пациент принимает таблетки нерегулярно, концентрация препарата в организме постоянно меняется. В результате лечение может оказаться менее эффективным, а иногда это даже способствует развитию устойчивости микроорганизмов к антибиотикам.

Поэтому давно существует идея создать таблетку или капсулу, которую достаточно проглотить один раз, а дальше она сама будет постепенно высвобождать лекарство несколько дней.

На практике реализовать это оказалось значительно сложнее.

Почему обычная таблетка не может работать неделями

После проглатывания большинство таблеток довольно быстро проходит через желудок и кишечник.

Даже если оболочка растворяется медленно, сама таблетка покидает желудочно-кишечный тракт в течение одного-двух дней. После этого доставка лекарства прекращается.

Чтобы увеличить продолжительность действия, необходимо не только замедлить растворение препарата, но и удержать саму лекарственную форму внутри желудка.

Именно эту задачу и попыталась решить команда Массачусетского технологического института.

Вот как работает капсула, вдохновленная искусством оригами

Самая необычная часть разработки — конструкция самой капсулы.

Пока она находится внутри стандартной желатиновой капсулы размера 000, устройство остается сложенным и без проблем проглатывается.

После того как оболочка растворяется в желудке, происходит ключевой момент.

Сложенная конструкция самостоятельно раскрывается, превращаясь в кольцо, напоминающее тор или пончик. Диаметр становится больше отверстия привратника желудка — естественного выхода пищи в кишечник. Благодаря этому устройство остается внутри желудка вместо того, чтобы сразу перейти дальше по пищеварительному тракту. Именно такую последовательность раскрытия показывают схемы и фотографии устройства в статье.

Почему именно оригами оказалось настолько удачной идеей

На первый взгляд может показаться, что слово «оригами» используется только как красивое сравнение.

На самом деле именно геометрия конструкции является главным инженерным решением.

Исследователи использовали разновидность складчатой структуры Miura-ori — особый тип складывания, который широко применяется в инженерии и даже космической технике благодаря способности компактно складываться и быстро раскрываться.

Такая форма одновременно решает сразу несколько задач:

• позволяет поместить устройство в обычную капсулу;
• обеспечивает надежное раскрытие после растворения оболочки;
• дает большую площадь поверхности для постепенного высвобождения лекарства;
• уменьшает вероятность закупорки желудочно-кишечного тракта.

Фактически лекарственная форма работает не только благодаря химии, но и благодаря тщательно рассчитанной геометрии.

Самый неожиданный момент исследования

Многие могут подумать, что устройство, остающееся в желудке несколько недель, должно быть очень жестким и прочным.

На самом деле исследователи предусмотрели противоположный механизм.

В конструкцию встроены специальные участки из материала, чувствительного к уровню кислотности. Пока устройство находится в кислой среде желудка, эти элементы сохраняют целостность.

Когда конструкция в конечном итоге попадает в кишечник, где среда становится менее кислой, эти соединительные участки растворяются. Устройство распадается на более мягкие сегменты и безопасно проходит дальше по кишечнику. Такой механизм показал себя работоспособным в экспериментах на свиньях и был специально разработан для снижения риска кишечной непроходимости.

Именно здесь происходит ключевой инженерный баланс: устройство должно быть достаточно прочным, чтобы оставаться в желудке, но затем само безопасно потерять прочность.

Насколько долго лекарство действительно высвобождается

Важно различать два показателя.

Само устройство находилось в желудке животных от одной до трех недель.

Однако непрерывное высвобождение модельного антибиотика моксифлоксацина продолжалось около трех-четырех суток. В экспериментах препарат обнаруживался в крови животных до четырех дней, тогда как обычная форма переставала определяться уже примерно через двое суток.

Это означает, что длительное пребывание конструкции в желудке не означает автоматического столь же длительного выделения лекарства. Продолжительность действия зависит от свойств конкретного препарата, материала конструкции и скорости его растворения.

Какие лекарства могут использовать такую технологию

Авторы считают наиболее перспективными несколько направлений.

Прежде всего это антибиотики, при которых особенно важно соблюдать непрерывность лечения.

Также технология может оказаться полезной для противопаразитарных препаратов и некоторых лекарств для хронических заболеваний, когда пропуск доз значительно снижает эффективность терапии.

Однако существует важное ограничение.

Одна такая конструкция способна вместить менее 400 мг действующего вещества. Поэтому она подходит только для препаратов, требующих сравнительно небольших дозировок. Для лекарств с более высокой дозой потребуется либо дальнейшая оптимизация конструкции, либо использование нескольких устройств одновременно.

Что пока остается неизвестным

Несмотря на впечатляющие результаты, исследование имеет ряд ограничений.

Все эксперименты проводились на животных, а не на людях.

Исследователи пока не смогли непосредственно наблюдать финальный процесс разрушения устройства после прохождения кишечника.

Кроме того, работа не сравнивала новую систему с другими современными технологиями длительного высвобождения лекарств.

Авторы прямо указывают, что необходимы дополнительные исследования, прежде чем технология сможет перейти к клиническим испытаниям у человека.

Почему эта работа может изменить представление о таблетках

Большинство инноваций в фармакологии связано с поиском новых молекул.

Эта работа показывает другой путь.

Иногда можно существенно повысить эффективность уже существующего препарата, изменив не его химическую структуру, а способ доставки в организм.

Если подобные системы будут успешно адаптированы для человека, одна капсула сможет заменить несколько дней регулярного приема лекарства. Для пациентов это означает более простое лечение, а для системы здравоохранения — потенциально меньше случаев неэффективной терапии из-за пропущенных доз.